Сталь Российский патент 2022 года по МПК C22C38/58 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к немагнитным сталям повышенной прочности, и может быть использовано в газо- и нефтедобывающей области промышленности.

Известна сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель, азот, кальций и железо, при этом общее соотношение компонентов составляет, масс.%:

Углерод до 0,2 Кремний 0,1 - 2,0 Марганец 9,0 - 35,0 Алюминий 0,001 - 0,200 Хром 10,0 - 20,0 Никель 0,1 - 8,0 Азот 0,001 - 0,500 Кальций 0,001 - 0,020 Железо остальное

[JPS61170545, дата публикации: 01.08.1986 г.МПК: C22C 38/00; C22C 38/58].

Недостатком известного технического решения являются низкие прочностные характеристики стали, в частности механические свойства, такие как предел прочности и предел текучести, обусловленные увеличенными размерами и большим количеством неметаллических включений в составе стали.

В качестве прототипа выбрана сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, медь, никель, хром, молибден, азот, ванадий, кобальт, железо и иные элементы, при этом общее соотношение компонентов составляет, масс.%:

Углерод 0,01 - 0,05 Кремний 0,05 - 0,50 Марганец 16,0 - 19,0 Фосфор до 0,04 Сера до 0,01 Медь 0,50 - 0,80 Никель 3,5 - 5,0 Хром 17,0 - 21,0 Молибден 1,80 - 3,50 Азот 0,0010 - 0,0050 Кобальт 0,1 - 3,0 Ванадий 0,1 - 2,0 Иные элементы [B, O]: 0,001 - 0,015 Железо остальное

[EP2248919A1, дата публикации: 10.11.2010 г., МПК: C21D 8/12; C21D 9/22; C22C 38/04].

Преимуществами прототипа перед известным техническим решенем являются более высокие прочностные характеристики стали, в частности ее механические свойства, обусловленные присутствием в сплаве дополнительных компонентов, предотвращающих развитие микротрещин в междендритном пространстве и усиливающих дисперсное твердение, тем самым повышая прочность, твердость и износ стали.

Однако, недостатками прототипа являются неудовлетворительные эксплуатационные характеристики стали, из-за низкой диффузионной подвижности атомов металла внутри кристаллической матрицы, вследствие чего снижаются показатели пластичности стали и затрудняется изготовление изделий из нее посредством штамповки, вытяжки или ковки.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик стали.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении показателей прочности стали с сопутствующим сохранением ее пластичности.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Сталь, содержащая железо, углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, молибден, никель, азот, алюминий, медь, кобальт и ванадий. В отличие от прототипа сталь дополнительно содержит кальций, стронций, барий и ниобий, при этом общее соотношение компонентов составляет, масс.%:

Углерод до 0,05 Кремний до 0,3 Марганец 18,0 - 20,0 Фосфор до 0,03 Сера до 0,005 Хром 15,5 - 17,5 Молибден 2,4 - 2,8 Никель 4,2 - 5,0 Азот 0,4 - 0,5 Алюминий до 0,3 Медь до 0,7 Кобальт до 0,03 Кальций 0,003 - 0,010 Стронций 0,001 - 0,010 Барий 0,001 - 0,010 Ниобий 0,01 - 0,05 Ванадий 0,01 - 0,05 Железо остальное.

Углерод обеспечивает упрочнение стали, повышение ее твердости и упругости. Концентрация углерода в составе стали составляет до 0,05 масс.%. Наличие углерода в составе стали в минимальном количестве необходимо для образования цементита (карбида железа), в присутствии которого существенно увеличивается твердость стали. Однако, в случае если концентрация углерода в стали будет выше допустимой границы, это приведет к ухудшению пластических свойств сплава.

Кремний присутствует в составе стали в качестве раскислителя и обеспечивает повышение упругости стали, а также ее сопротивляемость коррозии. Концентрация кремния в стали составляет до 0,3 масс.%. Наличие кремния в составе стали в минимальном количестве необходимо снижения количества кислорода в стали. Однако, в случае если концентрация кремния в стали будет выше допустимой границы, это приведет к образованию тугоплавких шлаков, затрудняющих процесс изготовления изделий из стали посредством сварки, а также к повышению твердости и хрупкости стали.

Марганец обеспечивает упрочнение стали, повышение ее твердости и износостойкости. Марганец также связывает серу и образует сульфид марганца , препятствуя образованию вредного соединения (сульфид железа). Концентрация марганца в стали находится в диапазоне 18,0 - 20,0 масс.%. В случае если концентрация марганца в составе стали будет больше верхней границы указанного диапазона, то это приведет образованию тугоплавких шлаков, затрудняющих последующую работу с полученным сплавом. В случае если концентрация марганца в составе стали будет ниже нижней границы указанного диапазона, то это приведет к повышению магнитных свойств стали, а также разупрочнению стали.

Фосфор и сера присутствуют в сплаве в качестве вредных примесей, наличие которых является нежелательным. Концентрация фосфора в стали составляет до 0,03 масс.%, а концентрация серы до 0,005 масс.%. В случае если концентрация фосфора или серы будет выше допустимых границ, это приведет к увеличению хрупкости стали как при низких температурах (хладноломкость), так и при высоких температурах (красноломкость), а также к увеличению истираемости и снижению коррозионной стойкости стали.

Хром обеспечивает упрочнение стали, повышение ее стойкости к коррозии и износу. Концентрация хрома в стали находится в диапазоне 15,5 - 17,5 масс.%. В случае если концентрация хрома в составе стали будет больше верхней границы указанного диапазона, то это приведет снижению пластичности стали и повышению ее магнитных свойств. В случае если концентрация хрома в составе стали будет ниже нижней границы указанного диапазона, то это приведет к разупрочнению, а также существенному снижению коррозионной стойкости стали.

Молибден обеспечивает повышение упругости, прочности и коррозионной стойкости стали. Также молибден способствует уменьшению размера зерен стали, снижая тем самым ее хрупкость и увеличивая усталостную прочность. Концентрация молибдена в стали находится в диапазоне 2,4 - 2,8 масс.%. В случае если концентрация молибдена в составе стали будет больше верхней границы указанного диапазона, то это приведет к увеличению тугоплавкости стали. В случае если концентрация молибдена в составе стали будет ниже нижней границы указанного диапазона, то это приведет к увеличению размера зерен стали и ее разупрочнению.

Никель обеспечивает повышение коррозионной стойкости стали, а также повышение ее прочности и ударной вязкости. Также в комбинации с хромом и молибденом никель существенно повышает способность стали к термическому упрочнению и повышает ее усталостную прочность. Концентрация никеля в стали находится в диапазоне 4,2 - 5,0 масс.%. В случае если концентрация никеля в составе стали будет больше верхней границы указанного диапазона, то это не приведет к улучшению свойств стали, однако повысит ее материалоемкость. В случае если концентрация никеля в составе стали будет ниже нижней границы указанного диапазона, то это приведет к разупрочнению стали и снижению ее ударной вязкости, а также повышению ее магнитных свойств.

Азот обеспечивает повышение прочности стали, с сопутствующим сохранением ее пластичности. Концентрация азота в стали находится в диапазоне 0,4 - 0,5 масс.%. В случае если концентрация азота в составе стали будет больше верхней границы указанного диапазона, то это приведет к увеличению азота в несвязанном состоянии, вследствие чего существенно снижается прочность и пластичность стали. В случае если концентрация азота в составе стали будет ниже нижней границы указанного диапазона, то этой концентрации может быть недостаточно для того, чтобы обеспечить достижение повышенных показателей прочности и пластичности стали.

Алюминий присутствует в составе стали в качестве раскислителя. Концентрация алюминия в стали составляет до 0,3 масс.%. Наличие алюминия в составе стали в минимальном количестве необходимо для образования оксида алюминия и снижения количества кислорода в стали. Однако, в случае если концентрация алюминия в стали будет выше допустимой границы, это приведет к укрупнению размера неметаллических включений в стали.

Медь и кобальт являются нежелательными примесями в составе стали. Концентрация меди в стали составляет до 0,7 масс.%. В случае если концентрация меди в стали будет выше допустимой границы, это приведет к ухудшению качества поверхности изделий, изготавливаемых из стали. Концентрация кобальта в стали составляет до 0,03 масс.%. В случае если концентрация кобальта в стали будет выше допустимой границы, то это приведет к повышению ее магнитных свойств.

Кальций обеспечивает улучшение пластических свойств стали, в частности относительного удлинения и ударной вязкости. Улучшение пластических свойств стали обусловлено тем, что при введении кальция он растворяется в обрабатываемом сплаве, образует оксид кальция и уменьшает количество кислорода в составе стали снижая, тем самым, количество неметаллических включений, а также их размер. Концентрация кальция в стали находится в диапазоне 0,003 - 0,010 масс.%. В случае если концентрация кальция в составе стали будет больше верхней границы указанного диапазона, то это приведет к обогащению границ зерен легкоплавкой эвтектикой и снижению пластичности стали . В случае если концентрация кальция в составе стали будет ниже нижней границы указанного диапазона, то этой концентрации может быть недостаточно для того, чтобы образовать оксид кальция и связать весь содержащийся в сплаве кислород.

Барий и стронций присутствуют в сплаве в качестве элементов, усиливающих и закрепляющих эффект кальция, а именно улучшающих его усвоение в процессе выплавки и улучшающих ударную вязкость стали за счет уменьшения количества неметаллических включений. Барий и стронций оказывают влияние на размеры и форму неметаллических включений, в частности на их глобуляризацию (приобретение округлой формы), для лучшего их оседания и последующего удаления. Концентрация бария в стали находится в диапазоне 0,001-0,010 масс.%. Концентрация стронция в стали находится в диапазоне 0,001-0,010 масс.%. В случае если концентрация бария и/или стронция в составе стали будет больше верхних границ указанных диапазонов, то это приведет к возникновению процессов вторичного окисления, что отрицательно сказывается на механических свойствах стали. В случае если концентрация бария и/или стронция в составе стали будет ниже нижних границ указанных диапазонов, то этой концентрации может быть недостаточно для того, чтобы обеспечить наиболее эффективную модификацию и удаление неметаллических включений из состава стали.

Ниобий обеспечивает повышение прочности и твердости стали. Повышение прочности и твердости обусловлено тем, что при введении в состав стали ниобия в виде карбидов , нитридов , а также карбонитридов они обеспечивают уменьшение диффузионной подвижности атомов металлической матрицы и образуют дисперсные упрочняющие фазы между атомами металла. Также ниобий обеспечивает снижение скорости диффузионного обмена при высоких температурах, затрудняя коагуляцию дисперсных фаз и вызывая, тем самым, повышение прочности и твердости стали при высоких температурах. Концентрация ниобия в стали находится в диапазоне 0,01 - 0,05 масс.%. В случае если концентрация ниобия в составе стали будет больше верхней границы указанного диапазона, то это усиливает неравномерное распределение нагрузки при эксплуатации изделия, что влечет за собой интенсивное развитие микротрещин в междендритном пространстве. В случае если концентрация ниобия в составе стали будет ниже нижней границы указанного диапазона, то этой концентрации может быть недостаточно для достижения повышенных показателей прочности и твердости стали.

Ванадий обеспечивает повышение прочности и твердости стали и присутствует в ее составе для нейтрализации процесса развития микротрещин в междендритном пространстве, обусловленном превышением концентрации ниобия. Нейтрализация этого процесса возможна за счет измельчения размера зерен посредством введения ванадия в состав стали. Повышение прочности и твердости стали обеспечивается за счет реализации эффекта дисперсионного упрочнения при введении ванадия в сталь. Концентрация ванадия в стали находится в диапазоне 0,01 - 0,05 масс.%. В случае если концентрация ванадия в составе стали будет больше верхней границы указанного диапазона, то это приведет к коагуляции соединений ванадия и разупрочнению стали. В случае если концентрация ванадия в составе стали будет ниже нижней границы указанного диапазона, то этой концентрации может быть недостаточно для достижения повышенных показателей прочности и твердости стали.

Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что сталь дополнительно содержит кальций, стронций, барий и ниобий в указанных концентрациях. Наличие в составе стали кальция, стронция и бария позволяет снизить размеры и количество неметаллических включений, за счет снижения количества кислорода в стали, что обеспечивает повышение показателей пластичности стали. Введение в состав стали ниобия позволяет улучшить строение металлической матрицы сплава, посредством снижения диффузионной подвижности атомов внутри нее, а также образования упрочняющих фаз в виде карбидов, нитридов и карбонитридов ниобия, что положительно сказывается на прочности и твердости стали. Соблюдение концентраций кальция, стронция, бария и ванадия в указанных пределах позволяет стабилизировать пластические свойства стали, без снижения ее прочности. В результате использования указанной совокупности элементов и введения их в сплав в указанных концентрациях обеспечивается получение стали оптимального морфологического строения, что позволяет достичь высоких показателей твердости, прочности и пластичности.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении показателей прочности стали, с сохранением ее пластичности, тем самым улучшаются ее эксплуатационные характеристики.

Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники известна сталь, в состав которой входит кальций при одинаковых основных компонентах. Также известна сталь, в состав которой при тех же основных компонентах за исключением кальция, содержит ванадий. Однако из уровня техники неизвестна сталь, которая при основных составных компонентах дополнительно содержала бы кальций, стронций, барий, ванадий и ниобий в указанных соотношениях. Также из уровня техники неизвестен синергетический эффект, заключающийся в существенном упрочнении стали без риска увеличения ее хрупкости за счет совокупного использования ванадия и ниобия в качестве легирующих добавок. Введение в состав стали ниобия обеспечивает повышение ее прочности и твердости, однако карбиды, нитриды и карбонитриды ниобия имеют склонность к образованию скоплений и строчек в приграничных объемах зерен, ввиду чего усиливается неоднородность морфологического строения стали и, как следствие, неравномерность распределения нагрузок при эксплуатации стальных изделий. Для нейтрализации данного негативного эффекта, наблюдаемого при введении в сталь ниобия, в нее дополнительно вводят ванадий, позволяющий уменьшить размер зерен стали. Совокупное же использование ванадия и ниобия в качестве легирующих добавок позволяет достичь эффекта упрочнения стали без риска увеличения ее хрупкости. Также из уровня техники неизвестен синергетический эффект от комплексного добавления в сталь кальция, стронция и бария и ванадия с ниобием в качестве легирующих добавок, заключающийся в приобретении сталью высокой прочности и твердости, без потери ею пластичности, что способствует равномерному распределению нагрузок внутри изделий, изготовленных из стали и повышает качество их работы как на сжатие, так и на растяжение. Известно, что введение в сталь компонентов, повышающих ее прочность, в частности ванадия и ниобия, приводит к некоторому снижению пластичности металла, ввиду чего затрудняется его дальнейшая обработка и процесс изготовления изделий из данного металла. Для стабилизации пластических свойств стали в нее дополнительно вводят такие компоненты, как кальций, стронций и барий, каждый из которых, при помощи различных механизмов взаимодействия с атомами металлической матрицы, уменьшает размер и количество неметаллических включений, что оказывает положительное влияние на пластические свойства стали. Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены следующие таблицы:

Таблица 1 - Составы сплава по изобретению и сплава по прототипу.

Таблица 2 - Результаты испытаний составов сплава по изобретению и сплава по прототипу на растяжение и ударную вязкость.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Изобретение поясняется следующим примером реализации.

Для получения 1000 кг сплава брали хром, шихтовый материал и углерод, при этом в шихтовый материал был представлен железом с включениями меди, кобальта, серы и фосфора, а также меди и кобальта. Хром, шихтовый материал и углерод помещали в дуговую сталеплавильную печь ДСП-6, после чего производили выплавку сплава при температурах 1680-1710°С и получали хромистый железоуглеродистый полупродукт, при этом в процессе плавки в печи количество включений фосфора снижалось. Полученный полупродукт подвергали внепечной обработке на агрегате ковш-печь (АКП) при температурах 1630-1780°С с корректировкой химического состава сплава посредством введения в полупродукт марганца, хрома, никеля, молибдена и углерода, при этом в процессе внепечной обработки снижалось количество включений серы. Полученный сплав перемещали в вакууматор камерного типа, где производили вакуумно-кислородное рафинирование сплава, продувку его кислородом и раскисление посредством добавления к сплаву кремния и алюминия. После раскисления сплава его вновь перемещали на АКП и производили внепечную обработку и легирование сплава азотом при температурах 1600-1650°С, после чего в сплав вводили, кальций, стронций, барий, ниобий и ванадий. По окончанию внепечной обработки производили разливку сплава в изложницы для кузнечных слитков сифонным способом с добавлением шлакообразующих, теплоизоляционных и экзотермических материалов, а температура начала разливки составляла 1470-1500°С. После разливки сплава в изложницы для кузнечных слитков происходила кристаллизация сплава, а затем извлечение слитков и последующая их обработка.

Сплав 1

Для получения 1000 кг стали брали 180 кг Cr, 0,6 кг C и 573,97 кг шихтового материала, который был представлен 568,3 кг Fe, а также включениями Cu массой 4 кг, Co массой 0,5 кг, и включениями P массой 0,9 кг и S массой 0,27 кг, количество которых снизилось в процессе получения сплава: P до 0,5 кг и S до 0,07 кг. Затем добавляли 170 кг Mn, 5 кг Cr, 38 кг Ni, 22 кг Mo и 0,1 кг C, 1 кг Si, 5 кг Al, 0,01 кг Ca, 0,01 Sr, 0,01 кг Ba, 0,7 кг Nb и 0,7 кг V и N в количестве 3,5 кг.

Сплав 2

Для получения 1000 кг стали брали 175 кг Cr, 0,5 кг C и 571,02 кг шихтового материала, который был представлен 564,56 кг Fe, а также включениями Cu массой 5 кг, Co массой 0,4 кг, и включениями P массой 0,8 кг и S массой 0,26 кг, количество которых снизилось в процессе получения сплава: P до 0,4 кг и S до 0,06 кг. Затем добавляли 175 кг Mn, 5 кг Cr, 40 кг Ni, 23 кг Mo и 0,1 кг C, 2 кг Si, 4 кг Al, 0,01 кг Ca, 0,01 Sr, 0,01 кг Ba, 0,6 кг Nb и 0,6 кг V и N в количестве 3,75 кг.

Сплав 3

Для получения 1000 кг стали брали 170 кг Cr, 0,4 кг C и 568,15 кг шихтового материала, который был представлен 559,8 кг Fe, а также включениями Cu массой 7 кг, Co массой 0,3 кг, и включениями P массой 0,7 кг и S массой 0,35 кг, количество которых снизилось в процессе получения сплава: P до 0,3 кг и S до 0,05 кг. Затем добавляли 180 кг Mn, 5 кг Cr, 42 кг Ni, 24 кг Mo и 0,1 кг C, 3 кг Si, 3 кг Al, 0,03 кг Ca, 0,01 Sr, 0,01 кг Ba, 0,5 кг Nb и 0,5 кг V и N в количестве 4 кг.

Сплав 4

Для получения 1000 кг стали брали 163 кг Cr, 0,4 кг C и 565,14 кг шихтового материала, который был представлен 556,688 кг Fe, а также включениями Cu массой 7 кг, Co массой 0,3 кг, и включениями P массой 0,7 кг и S массой 0,45 кг, количество которых снизилось в процессе получения сплава: P до 0,3 кг и S до 0,05 кг. Затем добавляли 185 кг Mn, 7 кг Cr, 44 кг Ni, 25 кг Mo и 0,1 кг C, 3 кг Si, 3 кг Al, 0,0475 кг Ca, 0,0325 Sr, 0,0325 кг Ba, 0,4 кг Nb и 0,4 кг V и N в количестве 4,25 кг.

Сплав 5

Для получения 1000 кг стали брали 155 кг Cr, 0,4 кг C и 562,13 кг шихтового материала, который был представлен 553,575 кг Fe, а также включениями Cu массой 7 кг, Co массой 0,3 кг, и включениями P массой 0,7 кг и S массой 0,55 кг, количество которых снизилось в процессе получения сплава: P до 0,3 кг и S до 0,05 кг. Затем добавляли 190 кг Mn, 10 кг Cr, 46 кг Ni, 26 кг Mo и 0,1 кг C, 3 кг Si, 3 кг Al, 0,065 кг Ca, 0,055 Sr, 0,055 кг Ba, 0,3 кг Nb и 0,3 кг V и N в количестве 4,5 кг.

Сплав 6

Для получения 1000 кг стали брали 150 кг Cr, 0,4 кг C и 559,01 кг шихтового материала, который был представлен 547,298 кг Fe, а также включениями Cu массой 7 кг, Co массой 0,3 кг, и включениями P массой 0,7 кг и S массой 0,55 кг, количество которых снизилось в процессе получения сплава: P до 0,3 кг и S до 0,05 кг. Затем добавляли 195 кг Mn, 10 кг Cr, 48 кг Ni, 27 кг Mo и 0,1 кг C, 3 кг Si, 3 кг Al, 0,0825 кг Ca, 0,0775 Sr, 0,0775 кг Ba, 0,2 кг Nb и 0,2 кг V и N в количестве 4,75 кг.

Сплав 7

Для получения 1000 кг стали брали 145 кг Cr, 0,4 кг C и 556,00 кг шихтового материала, который был представлен 547,35 кг Fe, а также включениями Cu массой 7 кг, Co массой 0,3 кг, и включениями P массой 0,7 кг и S массой 0,65 кг, количество которых снизилось в процессе получения сплава: P до 0,3 кг и S до 0,05 кг. Затем добавляли 200 кг Mn, 10 кг Cr, 50 кг Ni, 28 кг Mo и 0,1 кг C, 3 кг Si, 3 кг Al, 0,1 кг Ca, 0,1 Sr, 0,1 кг Ba, 0,1 кг Nb и 0,1 кг V и N в количестве 5 кг.

Сплав 8

Для получения 1000 кг стали брали 140 кг Cr, 0,3 кг C и 552,89 кг шихтового материала, который был представлен 543,348 кг Fe, а также включениями Cu массой 8 кг, Co массой 0,2 кг, и включениями P массой 0,7 кг и S массой 0,64 кг, количество которых снизилось в процессе получения сплава: P до 0,3 кг и S до 0,04 кг. Затем добавляли 205 кг Mn, 10 кг Cr, 52 кг Ni, 29 кг Mo и 0,1 кг C, 4 кг Si, 2 кг Al, 0,1175 кг Ca, 0,1225 Sr, 0,1225 кг Ba, 0,05 кг Nb и 0,05 кг V и N в количестве 5,25 кг.

Сплав 9

Для получения 1000 кг стали брали 138 кг Cr, 0,2 кг C и 549,84 кг шихтового материала, который был представлен 539,405 кг Fe, а также включениями Cu массой 9 кг, Co массой 0,1 кг, и включениями P массой 0,6 кг и S массой 0,73 кг, количество которых снизилось в процессе получения сплава: P до 0,2 кг и S до 0,03 кг. Затем добавляли 210 кг Mn, 7 кг Cr, 54 кг Ni, 30 кг Mo и 0,1 кг C, 5 кг Si, 1 кг Al, 0,135 кг Ca, 0,145 Sr, 0,145 кг Ba, 0,02 кг Nb и 0,02 кг V и N в количестве 5,5 кг.

Сплав 10

Для получения 1000 кг стали брали 135 кг Cr, 0,1 кг C и 545,74 кг шихтового материала, который был представлен 534,323 кг Fe, а также включениями Cu массой 10 кг, Co массой 0,1 кг, и включениями P массой 0,5 кг и S массой 0,82 кг, количество которых снизилось в процессе получения сплава: P до 0,1 кг и S до 0,02 кг. Затем добавляли 215 кг Mn, 5 кг Cr, 56 кг Ni, 31 кг Mo и 0,1 кг C, 6 кг Si, 1 кг Al, 0,1525 кг Ca, 0,1675 Sr, 0,1675 кг Ba, 0,01 кг Nb и 0,01 кг V и N в количестве 5,75 кг.

Процентные соотношения компонентов каждого сплава представлены в Таблице 1

После этого производили испытания полученных образцов сплавов, в процессе которых определяли условный предел текучести, временного сопротивления, относительного удлинения и относительного сужения, а также ударной вязкости.

Испытание 1

Определение условного предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения и относительного сужения.

Брали образцы сплава в виде цилиндров с заранее нанесенными на рабочую часть образца метками через каждые 5 мм, диаметром рабочей части образца мм и длиной рабочей части мм и проводили испытания на растяжение в соответствии с ГОСТ 1497-84. Испытания проводили на гидравлической испытательной горизонтальной машине ГИМГ-20000 при температуре окружающей среды 20°С. Образцы помещали в захваты испытательной машины и закрепляли, после чего производили постепенное нагружение образца. Нагружение образца производили равными ступенями по , до усилия равного при этом время выдержки на каждой ступени составляло 6 секунд. Затем нагружение образца производили равными ступенями по , время выдержки на каждой ступени составляло 5 секунд. При достижении образцом остаточного удлинения, равного 0,2% от длины рабочей части образца, то есть на 1,9 мм, фиксировали приложенную нагрузку, вызывающую остаточное удлинение , кН. При последующем нагружении образца до достижения им разрушения, фиксировали приложенную нагрузку, предшествующую разрушению , кН и прекращали нагружение. После разрушения образца, разрушенные части образца складывали так, чтобы их оси образовали прямую линию, и при помощи штангенциркуля измеряли конечную расчетную длину образца , мм, посредством измерения расстояния между метками, ограничивающими расчетную длину, при этом значение штангенциркуля по нониусу составляло 0,1 мм. Затем разрушенные части образца отсоединяли друг от друга и при помощи штангенциркуля измеряли минимальный диаметр образца после разрыва , мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях, значение штангенциркуля по нониусу составляло 0,1 мм. По среднему арифметическому из полученных значений вычисляли площадь поперечного сечения образца после разрыва . Полученные результаты испытаний заносили в Таблицу 2.

После окончания испытаний производили обработку полученных результатов и определяли условный предел текучести , временное сопротивление , относительное удлинение после разрыва , а также относительное сужение .

Условный предел текучести определяли по формуле:

где - нагрузка, вызывающая остаточное удлинение образца на 0,2%, кН;

- начальная площадь поперечного сечения образца, .

Временное сопротивление определяли по формуле:

где - нагрузка, предшествующая разрушению образца, кН;

- площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытания, .

Относительное удлинение после разрыва определяли по формуле:

где - конечная расчетная длина образца, мм;

- начальная расчетная длина образца, мм.

Относительное сужение после разрыва определяли по формуле:

где - начальная площадь поперечного сечения образца, ;

- площадь поперечного сечения образца после разрыва, .

Результаты вычислений сводили в Таблицу 2.

Испытание 2.

Определение ударной вязкости.

Брали образцы в виде прямоугольных брусков сечением 10x10 мм, длиной 55 мм, с V-образным надрезом (концентратором) шириной и глубиной 2 мм, расположенным на одной из граней бруска, и проводили испытания на ударную вязкость в соответствии с ГОСТ 9454-78. Испытания проводили на маятниковом копре с номинальной потенциальной энергией маятника 300 Дж, выполненном в соответствии с ГОСТ 10708-82. Образец устанавливали на опорах копра при помощи шаблона, обеспечивающего симметричное расположение концентратора относительно опор, таким образом чтобы образец лежал свободно, а удар маятника приходился на сторону противоположную концентратору. Маятник, находящийся в исходном положении, отпускали и при падении нож маятника ударялся об образец, в результате чего происходило его разрушение. Работу удара определяли по шкале маятникового копра.

Ударную вязкость определяли по формуле:

где - работа удара, Дж;

- начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, . Для всех испытаний на ударную вязкость начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора составляла

Результаты испытаний и вычислений заносили в Таблицу 2.

Для сплава по прототипу испытания на определение ударной вязкости не проводились.

Полученные составы сплава по изобретению были подвергнуты испытаниям на растяжение и испытаниям на ударную вязкость, за исключением сплава по прототипу. Результаты испытаний были занесены в Таблицу 2 и был произведен их дальнейший анализ. В ходе анализа было установлено, что сплавы с 3 по 7 имели удовлетворительные показатели прочности и пластичности, при этом наилучшими показателями обладал сплав под номером 5, в котором наряду с достижением высоких показателей пределов прочности и текучести, показатели пластичности такие, как относительное удлинение и ударная вязкость, имели оптимальные значения, при которых обеспечивается возможность изменения материалом своей формы под действием внешних сил, без разрушения, и сохранения этой формы при устранении этих сил. Такие результаты обусловлены тем, что в сплавах с 3 по 7 не наблюдалось выхода концентраций элементов за верхние или нижние границы установленных диапазонов.

Сплавы с 1 по 2 обладали неудовлетворительными характеристиками в отношении относительного удлинения и ударной вязкости, что обусловлено низким содержанием в составе данных сплавов кальция, стронция и бария.

Сплавы с 8 по 10 обладали неудовлетворительными характеристиками в отношении предела прочности и предела текучести, что обусловлено низким содержанием в составе данных сплавов ниобия и ванадия.

В отношении сплава по прототипу было установлено, что он имел удовлетворительные показатели прочности и пластичности, однако значения данных показателей оказались ниже тех, что были достигнуты сплавами с 3 по 7.

Таким образом, обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении показателей прочности стали, с сохранением ее пластичности, тем самым улучшаются ее эксплуатационные характеристики.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к немагнитным сталям повышенной прочности, и может быть использовано в газо- и нефтедобывающей промышленности. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, молибден, никель, азот, алюминий, медь, кобальт, ванадий, кальций, стронций, барий, ниобий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод до 0,05, кремний до 0,3, марганец 18,0-20,0, фосфор до 0,03, сера до 0,005, хром 15,5-17,5, молибден 2,4-2,8, никель 4,2-5,0, азот 0,4-0,5, алюминий до 0,3, медь до 0,7, кобальт до 0,03, кальций 0,003-0,01, стронций 0,001-0,01, барий 0,001-0,01, ниобий 0,01-0,05, ванадий 0,01-0,05, железо – остальное. Сталь обладает требуемым высоким уровнем показателей прочности при сопутствующем сохранении пластичности. 1 ил., 2 табл.

Сталь, содержащая железо, углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, молибден, никель, азот, алюминий, медь, кобальт и ванадий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кальций, стронций, барий и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод до 0,05 кремний до 0,3 марганец 18,0-20,0 фосфор до 0,03 сера до 0,005 хром 5,5-17,5 молибден 2,4-2,8 никель 4,2-5,0 азот 0,4-0,5 алюминий до 0,3 медь до 0,7 кобальт до 0,03 кальций 0,003-0,01 стронций 0,001-0,01 барий 0,001-0,01 ниобий 0,01-0,05 ванадий 0,01-0,05 железо остальное